一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法

摘要

本发明属于高速公路服务设施设计领域，公开了一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法，包括：建立驾驶员疲劳模型；确定初始疲劳间隔和深度疲劳间隔；确定第二类服务设施初始间隔范围；获取车辆加油需求，对第二类服务设施初始间隔范围进行修正，得到第二类服务设施最终间隔范围；确定第三类服务设施初始间隔范围；获取驾驶员上卫生间需求、货车需求，对第三类服务设施初始间隔范围进行修正，得到修正后第三类服务设施间隔范围；根据第二类服务设施最终间隔范围和修正后第三类服务设施间隔范围，确定第一类服务设施最终间隔范围和第三类服务设施最终间隔范围，能够使高海拔地区的服务设施能够真正满足交通运行需求。

说明书

技术领域

本发明涉及高速公路服务设施设计领域，尤其涉及一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法，可用于对海拔高度在2000米至6000米的高海拔地区进行高速公路服务设施间隔的设置。

背景技术

我国西部高海拔地区高寒、低压、缺氧，沿线人烟稀少，城镇分布零散。一方面，我国经济建设快速发展，国家提出了“一路一带”的建设方针，在冻土地区高速公路建设难题也被逐步攻克；另一方面，格尔木至拉萨段是国家“7918”网7条首都放射线中的重要一段，但至今未开始施工建设，西藏是我国至今为止唯一未与外界通高速公路的省份。因此，在青藏高原修建高速公路已经迫在眉睫。该区域高速公路建成之后，其长度少则几百公里，多则上千公里(如格尔木至拉萨段长度约为1110公里)，由于高海拔环境的影响，该区域高速公路的建设标准势必与平原区有所差异。

我国最新的《公路工程技术标准(JTG B01-2014)》中将服务设施划分为服务区、停车区、客运汽车停靠站这三类。其中规定高速公路应设置服务区，平均间隔宜为50km，当沿线城镇分布稀疏，水电等供给困难时，可增大服务区间距，但具体增大多少规范中并没有给出明确的规定。其服务区的间隔如果完全按照目前的国家标准执行，会大大增加建设成本，而且建成之后由于在高海拔地区其人力与物力成本高，甚至可能出现部分服务区无人使用的情况，造成资源浪费，但另一方面，该区域氧含量低、运输里程长，与平原区相比，驾驶员更 容易出现疲劳状态，如果设置区间过长，则可能出现由于疲劳引起的交通事故。

此外，在目前绝大多数已经发表的关于服务区设置间隔的文章都是关于低海拔区域的，由于青藏高原的特殊性，国内外均很少有涉及高海拔地区服务设施间隔设置的相关文章与专利。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法，根据驾驶疲劳进行服务设施的间隔设置，能够有效的避险资源浪费，使高海拔地区的服务设施能够真正满足交通运行需求。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。

一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法，用于对海拔高度在2000米至6000米的高海拔地区进行高速公路服务设施间隔的设置，所述高速公路服务设施包含满足车辆和驾驶员应急救援需求的第一类服务设施，满足驾驶员夜间住宿、车辆加油需求的第二类服务设施，满足驾驶员常规生理需求的第三类服务设施，驾驶员常规生理需求至少包含驾驶员短时休息和上卫生间的生理需求；所述方法包括：

步骤1，建立不同海拔高度范围的驾驶员疲劳模型；

步骤2，根据所述驾驶员疲劳模型，确定驾驶员的初始疲劳间隔和深度疲劳间隔，所述初始疲劳间隔为驾驶员从开始进入驾驶状态到初始疲劳状态的时间间隔，所述深度疲劳间隔为驾驶员从开始进入驾驶状态到深度疲劳状态的时间间隔；

步骤3，获取车辆行车速度，根据所述车辆行车速度、所述深度疲劳间隔确定第二类服务设施初始间隔范围；

步骤4，获取车辆加油需求，对所述第二类服务设施初始间隔范围进行修正，得到第二类服务设施最终间隔范围；

步骤5，根据所述车辆行车速度、所述初始疲劳间隔确定第三类服务设施初始间隔范围；

步骤6，获取驾驶员上卫生间需求、货车货物定时检查需求，对所述第三类服务设施初始间隔范围进行修正，得到修正后第三类服务设施间隔范围；

步骤7，根据所述第二类服务设施最终间隔范围，确定第二类服务设施最终间隔，根据所述第二类服务设置最终间隔确定第一类服务设施最终间隔；根据所述第二类服务设施最终间隔和所述修正后第三类服务设施间隔范围，确定第三类服务设施最终间隔。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤1具体为：

建立驾驶员疲劳模型为二元logit模型：

$ln\left[\frac{p(Y=1)}{1-p(Y=1)}\right]={\beta }_0+{\beta }_{1}T+{\beta }_{2}H+{\beta }_{3}N+{\beta }_{4}B$

其中，p(Y＝1)表示驾驶员疲劳概率；β₀为常数；β₁，β₂，β₃，β₄表示自变量系数；T表示时间长度，单位为分钟；H表征不同海拔高度范围；N表示驾驶员类型，N＝1代表本地驾驶员，N＝0代表外地驾驶员；B表示心跳间隔变化率。

(2)步骤2具体为：

在二元logit模型中，获取驾驶员疲劳概率为15％时对应的时间作为驾驶员的初始疲劳间隔T₁；在二元logit模型中，获取驾驶员疲劳概率为85％时对应的时间作为驾驶员的深度疲劳间隔T₂。

(3)步骤3具体包括：

获取驾驶员的期望行驶速度V₁、高速公路的最低限速V₂和所述深度疲劳间隔T₂；确定第二类服务设施初始间隔范围S₂∈V₂×T₂～V₁×T₂，∈表示属于。

(4)步骤4具体包括：

获取车辆在低油耗情况下可行驶的最大距离S_max；

获取高速公路的最低限速V₂和最大连续驾驶时长4小时，则车辆正常情况下可行驶的最大距离S_m；

根据得到第二类服务设施最终间隔范围。

(5)步骤5具体包括：

获取驾驶员的期望行驶速度V₁、高速公路的最低限速V₂和所述初始疲劳间隔T₁；

确定第三类服务设施初始间隔范围S₃∈V₁×T₁～V₂×T₁，∈表示属于。

(6)步骤6具体包括：

获取高速公路的最低限速V₂、设定驾驶员上卫生间的时间间隔为T_w小时，则S₃≤V₂×T_w；

获取高速公路的最低限速V₂、设定货车货物定期检查的时间间隔为T_truck小时，则S₃≤V₂×T_truck；

根据得到修正后第三类服务设施间隔范围。

(7)步骤7具体包括：

确定第二类服务设施最终间隔，并按照第二类服务设施最终间隔预先设置第二类服务设施；

将相邻两个或者相邻三个第二类服务设施后的下一个第二类服务设施替换为第一类服务设施；

根据修正后第三类服务设施间隔范围，在相邻两个第二类服务设施之间间隔设置两个或者三个第三类服务设施。

(8)获取车辆在低油耗情况下可行驶的最大距离S_max具体为：

当小客车流量比例较大时，S_max为小客车在低油耗情况下可行驶的最大距离；当大客车流量比例较大时，S_max为大客车在低油耗情况下可行驶的最大距离；当大货车流量比例较大时，S_max为大货车在低油耗情况下可行驶的最大距离。。

我国高海拔地区低压、高寒、缺氧并且人烟稀少，根据高海拔地区高速公路服务设施的功能需求将服务设施划分为三大类，综合考虑车辆加油需求、生理需求、货车需求等因素，同时考虑了驾驶疲劳与服务设施间隔的关系，能够有效的避免资源浪费，使该海拔地区高速公路的服务设施能够真正满足交通运行需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的建立驾驶员疲劳模型的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的驾驶员疲劳模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法的流程框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法，所述高速公路服务设施包含满足车辆和驾驶员应急救援需求的第一类服务设施，满足驾驶员夜间住宿、车辆加油需求的第二类服务设施，满足驾驶员常规生理需求的第三类服务设施，驾驶员常规生理需求至少包含短时休息和上卫生间的生理需求。

一方面，高海拔地区如青藏高原地域辽阔，人烟稀少，在该区域对于点到点之间的交通运输需求更为迫切；另一方面，在高寒、低压以及缺氧的环境中，驾驶员更容易出现驾驶疲劳、不同程度的高原反应，甚至可能发展为脑水肿与肺水肿危及性命。

服务设施是高速公路的避风港，可供驾驶员与车辆进行不同时长的休整，根据车辆与人员的不同需求将服务设施划分为三类。即第一类服务设施、第二类服务设施与第三类服务设施。

示例性的，第三类服务设施主要供道路使用者短时间休息，更换驾驶员、检查车辆、去卫生间等简单功能。

第二类服务设施主要为道路使用者提供较长时间休息、调整，满足加油、购物、用餐以及住宿等需求，此外还需提供氧气供给等功能。

第一类服务设施主要是实现进行生命保障功能，对出现突发性高原反应的人员进行及时救护；成立交通事故应急救援中心，在第一时间对发生交通事故的车辆进行应急救援；设置车辆维修中心，对故障车辆进行简单维修，如更换轮胎等使其能够正常驾驶。

这三类服务设施相互协调设置，以第二类服务设施的间距控制第一类与第三类设施的间隔。三类服务设施功能互补，能够满足不同类型驾驶员与车辆的运行需求。

服务设施间距设置过短不仅前期建设造成资源浪费，后期维护还可能面临巨大的人力与物力成本；设置过长则可能无法满足部分驾驶员的需求，影响交通安全。

如图1所示为本发明实施例提供一种高海拔地区高速公路服务设施间隔的设置方法包括：

步骤1，建立不同海拔高度范围的驾驶员疲劳模型。

示例性的，步骤1具体为：

建立驾驶员疲劳模型为二元logit模型：

$ln\left[\frac{p(Y=1)}{1-p(Y=1)}\right]={\beta }_0+{\beta }_{1}T+{\beta }_{2}H+{\beta }_{3}N+{\beta }_{4}B$

其中，p(Y＝1)表示驾驶员疲劳概率；β₀为常数；β₁，β₂，β₃，β₄表示自变量系数；T表示时间长度，单位为分钟；H表征不同海拔高度范围；N表示驾驶员类型，N＝1代表本地驾驶员，N＝0代表外地驾驶员；B表示心跳间隔变化率。

由于在高海拔区域，当地驾驶员祖祖辈辈生活在高原地区，适应了这种低压缺氧的环境，在驾驶疲劳方面与外地驾驶员表现出明显的差异性，从交通安全的角度出发，疲劳时间点的确定主要是采用外地驾驶员进行测试得出。

除了驾驶员类型之外，其他考虑的因素为海拔高度、时间长度以及心跳间隔变化率。由于人体疲劳与心跳速率之间的关系密切，所以将心率的变化也考虑进来。

需要补充的是，心跳间隔变化率B的计算公式如下：

$B_i=\frac{T_i-T_{10}}{T_{10}}$

其中，B_i表示第i时间段的平均心跳间隔；T₁₀表示前10分钟的心跳平均间隔(s)；T_i表示第i时间段心跳平均间隔(s)，每两分钟取一次平均值，得到一个测试数据。

示例性的，H表示不同海拔高度范围，海拔高度划分为三个区间：3000米以下，3000-4000米，4000米以上；在实际建模过程中，β₂为1行3列的系数行向量，H为3行3列的列向量，示例性的，以3000米为基准时，第一列[0>T表示当前处于海拔3000米以下，第二列[0>T表示当前处于海拔3000-4000米，第三列[0>T表示当前处于海拔4000米以上，β₂表示与海拔高度对应的系数向量。

步骤2，根据所述驾驶员疲劳模型，确定驾驶员的初始疲劳间隔和深度疲劳间隔，所述初始疲劳间隔为驾驶员从开始进入驾驶状态到初始疲劳状态的时间间隔，所述深度疲劳间隔为驾驶员从开始进入驾驶状态到深度疲劳状态的时间间隔。

步骤2具体为：在二元logit模型中，获取驾驶员疲劳概率为15％时对应的时间作为驾驶员的初始疲劳间隔T₁；在二元logit模型中，获取驾驶员疲劳概率为85％时对应的时间作为驾驶员的深度疲劳间隔T₂。

需要说明的是，本发明实施例采用驾驶员疲劳概率为15％时对应的时间作为驾驶员的初始疲劳间隔T₁以及驾驶员疲劳概率为85％时对应的时间作为驾驶员的深度疲劳间隔T₂只是作为一个示例，实际中可根据实际情况确定不同驾驶员不同疲劳概率对应的时间作为初始疲劳间隔和深度疲劳间隔。

通过驾驶模拟测试的方法，建立驾驶员疲劳模型后，分别确定驾驶员疲劳概率在15％与85％的疲劳程度下驾驶员的疲劳时间点，以此作为服务设施间隔确定依据之一。在驾驶员疲劳概率为15％处认为驾驶员出现轻度疲劳状态，该时间点可作为第三类服务设施的设置间隔，驾驶员进行短时间休整；在驾驶员疲劳概率为85％处认为驾驶员接近疲劳状态，需进行停车休整，该时间点可作为第二类服务设施的设置 间隔。

步骤3，获取车辆行车速度，根据所述车辆行车速度、所述深度疲劳间隔确定第二类服务设施初始间隔范围。步骤3具体包括：

获取驾驶员的期望行驶速度V₁、高速公路的最低限速和所述深度疲劳间隔T₂；高速公路的最低限速V₂为60km/h。

确定第二类服务设施初始间隔范围S₂∈V₂×T₂～V₁×T₂，∈表示属于。

步骤4，获取车辆加油需求，对所述第二类服务设施初始间隔范围进行修正，得到第二类服务设施最终间隔范围。步骤4具体包括：

获取车辆在低油耗情况下可行驶的最大距离S_max；

获取高速公路的最低限速V₂和最大连续驾驶时长4小时，则车辆正常情况下可行驶的最大距离为S_m，S_m＝4×V₂＝4×60km/h＝240km；

根据得到第二类服务设施最终间隔范围。

进一步的，获取车辆在低油耗情况下可行驶的最大距离S_max具体为：

当小客车流量比例较大时，S_max为小客车在低油耗情况下可行驶的最大距离；当大客车流量比例较大时，S_max为大客车在低油耗情况下可行驶的最大距离；当大货车流量比例较大时，S_max为大货车在低油耗情况下可行驶的最大距离。

具体的，车辆加油需求主要从低油量情况下车辆可行驶的最大距离出发，计算小客车、大客车、小货车以及大货车的最短行驶距离。

$L_{max}=\frac{v_1-v_2}{Q}$

式中：L_max表示在低油量情况下车辆可行驶的最大距离；v₁表示低油量情况下油箱中的油量；v₂表示安全油量，即油箱中必须保存的最小油量；Q表示每公里的油耗。将小客车、大客车以及大货车在低油耗条件 下的可行驶最大距离分别为：S_car，S_bus，S_truck。

需要补充的是，小客车一般指乘坐9人以下的小型轻便载客汽车。大客车一般指乘坐20人以上，60人以下的大中型载客汽车。大货车一般指载重20吨以上，100吨以下的大中型拉货货车。

步骤5，根据所述车辆行车速度、所述初始疲劳间隔确定第三类服务设施初始间隔范围。步骤5具体包括：

获取驾驶员的期望行驶速度V₁、高速公路的最低限速V₂和所述初始疲劳间隔T₁；

确定第三类服务设施初始间隔范围S₃∈V₁×T₁～V₂×T₁。

步骤6，获取驾驶员上卫生间需求、货车货物定时检查需求，对所述第三类服务设施初始间隔范围进行修正，得到修正后第三类服务设施间隔范围。步骤6具体包括：

获取高速公路的最低限速V₂、设定驾驶员上卫生间的时间间隔为T_w小时，则S₃≤V₂×T_w；

获取高速公路的最低限速V₂、设定货车货物定期检查的时间间隔为T_truck小时，则S₃≤V₂×T_truck；

根据得到修正后第三类服务设施间隔范围。

步骤7，根据所述第二类服务设施最终间隔范围，确定第二类服务设施最终间隔，根据所述第二类服务设置最终间隔确定第一类服务设施最终间隔；根据所述第二类服务设施最终间隔和所述修正后第三类服务设施间隔范围，确定第三类服务设施最终间隔。

步骤7具体包括：

确定第二类服务设施最终间隔，并按照第二类服务设施最终间隔预先设置第二类服务设施；

将相邻两个或者相邻三个第二类服务设施后的下一个第二类服务设施替换为第一类服务设施；

根据修正后第三类服务设施间隔范围，在相邻两个第二类服务设施之间间隔设置两个或者三个第三类服务设施。

需要补充的是，驾驶员疲劳测试可分为实车测试与模拟测试，可根据实际情况而定。为方便最终模型建立，需对驾驶员在测试过程中表现出来的状态以及感受等进行详细记录，如打哈切、流眼泪以及个人感受等与疲劳相关的信息。之后通过相关的数学计算软件如SPSS等可进行参数拟合，最终得出模型。

建立模型之后，在不同的海拔高度段，疲劳概率p(Y＝1)取值为15％(或者85％)；N＝0，代表外地驾驶员；心跳间隔变化率B为轻度疲劳状态(或深度疲劳状态)下心跳间隔变化率的平均值。之后分别反推出在不同海拔高度条件下15％与85％疲劳程度下的时间点，将15％疲劳程度下对应的时间长度作为第三类服务设施的设置间隔，将85％疲劳程度下对应的时间长度作为第二类服务设施的设置间隔。驾驶疲劳模型的具体确定流程见图2，最终建立的驾驶疲劳模型如图3所示。

货车需求主要考虑运输的海产、鲜花以及危险化学品等货物在运输途中需要进行定期维护检查等，该时间间隔可根据问卷调查等方法获得，时间间隔为T_Truck。

我国法律规定，机动车驾驶员的连续驾驶时长不能超过4小时，至少每隔四小时必须有服务设施供驾驶员休整。

自然灾害应急需求主要是考虑到我国青藏高原地区高寒、高海拔，主要的自然灾害为冰雪、地震等，服务区作为高速公路的避风港，在该区域尤其要重点考虑灾害应急救援。

观景需求主要考虑到我国青藏高原独特的自然景观，服务设施的选址应适当结合周边景点。

我国高速公路最低限速为60km/h，货车期望的行驶速度为V km/h(一般取值为80km/h，也可根据实际情况调查得出)，以这两个速度值计算服务区间隔，在某一海拔高度下确定服务区间隔如下表：

某海拔高度下的服务区间隔

第二类服务设施的间隔以85％疲劳度进行控制，具体取值方法如下(交通量较大，且小型车比例较高时)：

$\left(\begin{array}{c}{S}_2=V_2\times T_2~V_1\times T_2\\ S_2\le S_{car}\\ S_2\le 240km\end{array}\right)$

第三类的服务设施间隔以15％疲劳度进行控制，具体取值方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{S}_3=V_1\times T_1~V_2\times T_1\\ S_3\le V_2\times T_w\\ S_3\le V_2\times T_{truck}\end{array}\right)$

确定第二类服务设施的最终间隔，并按照第二类服务设施的最终间隔预先设置第二类服务设施；将相邻两个或者相邻三个第二类服务设施 后的下一个第二类服务设施替换为第一类服务设施；在相邻两个第二类服务设施之间间隔设置两个或者三个第三类服务设施。总之，三类服务设施间隔除考虑以上间距要求外，可在适当的范围内进行调整，使得三类服务设施协调设置。

具体的，本发明技术方案在实际工程应用过程中可按照如图4所示的流程框图进行实施。

本发明实施例根据我国高海拔地区低压、高寒、缺氧并且人烟稀少的特征，根据高海拔地区高速公路服务设施的功能需求将服务设施划分为三大类，并且综合考虑车辆加油需求、生理需求、货车需求等因素，同时考虑了驾驶疲劳与服务设施间隔的关系，能够有效的避免资源浪费，使该海拔地区高速公路的服务设施能够真正满足交通运行需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。